KR101323164B1 - 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치 - Google Patents

핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르는 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치는, 입사된 광을 집속하여 전달하는 프레넬 존 플레이트; 및 상기 프레넬 존 플레이트와 상대 이동하는 원점 검출부;로 구성되며, 상기 원점 검출부는, 상기 프레넬 존 플레이트에 대향되게 설치되어 광을 조사하는 광원, 상기 프레넬 존 플레이트와 상기 광원 사이에 위치하며 핀 홀이 형성된 핀 홀 플레이트, 상기 프레넬 존 플레이트가 집속하여 전달하는 광을 수광하여 출력하는 광 검출소자로 구성되며, 상기 핀 홀 플레이트의 핀 홀을 통해 상기 광원의 광은 상기 프레넬 존 플레이트로 전달되고, 상기 프레넬 존 플레이트를 통하여 집속된 광은 상기 광 검출소자로 전달됨을 특징으로 한다.

Description

핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치{Apparatus of detecting zero point for optical encoder using pin hole plate and fresnel zone plate}
본 발명은 광학 인코더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 핀 홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용하여 인코히어런트 광을 집속시켜 포토디텍터로 제공하는 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치에 관한 것이다.
물체의 변위정보를 고정밀도로 측정하기 위하여, 다양한 형태의 광학 인코더가 산업용 계측기계 등의 분야에서 널리 사용되고 있다.
상기한 광학 인코더는 형태로는 로터리 인코더(rotary encoder)나 리니어 인코더(linear encoder) 등으로 분류할 수 있고, 신호처리 방식으로는 증분형 인코더(incremental encoder)와 절대치 인코더(absolute encoder)로 분류할 수 있다.
상기한 광학 인코더 중 3-그레이팅 광학 인코더의 구성 및 동작에 대해 설명한다.
상기 3-그레이팅 광학 인코더는 베이스에 고정되어 설치된 퍼필 격자(Pupil grating)인 스케일(scale)과, 이동자에 고정되며 상기 스케일에 대해 상대 이동하는 헤드(head)부로 구성된다.
상기 헤드부는 발광부와 신호처리부와 격자(grating)부와 광센서부로 구성되며, 특히 상기 격자부는 오브젝트 격자(object grating)와 이미지 격자(image grating)로 구성되며, 상기 격자들은 주기적인 패턴 구조를 가진다.
상기 발광부로부터의 광은 상기 오브젝트 격자를 투과하여 상기 퍼필 격자로 전달되고, 상기 퍼필 격자는 전달된 광을 투과 또는 반사하여 상기 이미지 격자로 전달하며, 상기 이미지 격자는 상기 퍼필 격자가 전달하는 광을 투과하여 상기 광센서부로 전달한다.
상기 광센서로 입사되는 광은 퍼필 격자와 오브젝트 격자 사이의 일치도 변화에 따라 광량이 변화한다. 이러한 광량의 변화는 특정 거리 조건에서 정현파 신호의 특성을 가진다.
이에따라 상기 광학식 엔코더는 상기 특성을 이용하여 상기 베이스에 고정된 스케일과 상기 이동자에 고정되어 상대 이동하는 헤드부 사이의 상대적인 변위정보를 획득한다.
특히 상기 오브젝트 격자를 투과한 광은 특정 위치에서 높은 콘트라스트의 모아레 상을 형성하므로, 상기 광학식 엔코더는 콘트라스트가 가장 높은 조건에서 광 신호를 얻을 수 있도록 격자들 사이의 간격 및 광센서의 위치를 결정하였다.
또한 상기한 광학 인코더는 상대적인 변위정보에 대한 기준정보를 생성하기 위해 원점 검출 장치도 구비된다.
상기 원점 검출 장치는 베이스 및 헤더에 각각 설치된 원점 검출용 패턴은 서로 일치하는 경우에만 최대 광량이 전달될 수 있는 형태로 형성된다. 상기 패턴은 복수개의 단순 사각형 패턴이거나 임의의 랜덤 격자 패턴일 수 있다.
상기한 바와 같은 광학 인코더의 광원으로 레이저(LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)) 소자를 채용하는 경우에는 상기 광의 콘트라스트가 강해지는 위치가 Z=Np2/λ(Z는 상대 운동하는 대상체와의 거리, N은 정수, p는 회절격자의 주기, λ는 광의 파장)로 정해지나, 상기 광학 인코더의 광원으로 LED(Light Emitting Diode)를 채용하는 경우에는 상기 광의 콘트라스트가 강해지는 위치가 Z=(1/5)p2/λ(p는 회절격자의 주기, λ는 광의 파장)로 정해진다.
이와 같은 LED를 광원으로 채용하는 경우에는, 조밀한 출력신호를 얻기 위해서 P(회절격자의 주기)를 작게 할수록 높은 광 콘트라스트를 얻을 수 있는 거리 조건이 P가 제곱에 비례하게 작아지므로, 좁은 갭(gap)에 발광부와 수광부를 포함한 시스템을 구성하는 것은 물론이고 그 좁은 갭을 유지하고 정렬해야 하는 문제가 있었다.
이에따라 광학식 인코더의 광원으로 LED를 채용하는 경우에도 높은 콘트라스트의 광 변조 신호 기반 변위정보 및 원점정보의 정확도 및 신뢰도를 높일 수 있는 기술 개발이 요구되었다.
본 발명은 핀 홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용하여 인코히어런트 광을 집속시켜 포토디텍터로 제공하여 영점을 정확하게 검출할 수 있게 하는 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르는 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치는, 입사된 광을 집속하여 전달하는 프레넬 존 플레이트; 및 상기 프레넬 존 플레이트와 상대 이동하는 원점 검출부;로 구성되며, 상기 원점 검출부는, 상기 프레넬 존 플레이트에 대향되게 설치되어 광을 조사하는 광원, 상기 프레넬 존 플레이트와 상기 광원 사이에 위치하며 핀 홀이 형성된 핀 홀 플레이트, 상기 프레넬 존 플레이트가 집속하여 전달하는 광을 수광하여 출력하는 광 검출소자로 구성되며, 상기 핀 홀 플레이트의 핀 홀을 통해 상기 광원의 광은 상기 프레넬 존 플레이트로 전달되고, 상기 프레넬 존 플레이트를 통하여 집속된 광은 상기 광 검출소자로 전달됨을 특징으로 한다.
본 발명은 광학 인코더에 구비되는 영점 검출 장치의 광원으로 인코히어런트 광원을 채용하는 경우에도 영점을 정확하게 검출할 수 있게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 반사형 영점 검출 장치의 블럭구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 반사형 영점 검출 장치의 제1핀홀 플레이트, 제1-1차원 프레넬 존 플레이트, 제1바이셀 포토디텍터의 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 제1-1차원 프레넬 존 플레이트의 동작을 예시한 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 제1-1차원 프레넬 존 플레이트의 패턴을 도시한 도면.
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 제1 내지 제4실시예에 따른 영점 검출 신호를 예시한 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 반사형 영점 검출 장치의 광 이동경로를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 투과형 영점 검출 장치의 블럭구성도.
도 9는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 투과형 영점 검출 장치의 광 이동경로를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 반사형 영점 검출 장치의 블럭구성도.
도 11은 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 반사형 영점 검출 장치의 광 이동경로를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 바람직한 제4실시예에 따른 투과형 영점 검출 장치의 블럭구성도.
도 13은 본 발명의 바람직한 제4실시예에 따른 투과형 영점 검출 장치의 광 이동경로를 도시한 도면.
본 발명은 핀 홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용하여 인코히어런트 광을 집속시켜 포토디텍터로 제공함으로써, 영점 검출의 정확도를 향상시킨다. 이러한 본 발명의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
<제1실시예-반사형 영점 검출 장치>
<반사형 영점 검출 장치의 구성>
먼저 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 반사형 영점 검출 장치의 구성 및 동작을 도 1 및 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 제1실시예에 따르는 제1영점 검출 장치는 크게 제1영점검출부(100)와, 상기 제1영점검출부(100)와 상대 이동하는 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)로 구성된다. 좀 더 설명하면, 상기 제1영점검출부(100)와 상기 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202) 중 어느 하나는 대상물에 장착되고 다른 하나는 상기 대상물에 대향되는 기구에 설치된 상태에서, 대상물 또는 기구 중 어느 하나만 원 이동 또는 직선 이동함으로써, 상기 제1영점검출부(100)와 상기 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)가 상대적인 이동을 한다.
상기 제1영점검출부(100)는 제1제어장치(102)와 제1LED 모듈 구동부(104)와 제1LED 모듈(106)과 제1핀 홀 플레이트(Pin hole plate)(108)와 제1바이셀 포토디텍터(110)와 제1감산기(112)와 제1신호처리부(114)로 구성된다.
상기 제1제어장치(102)는 상기 제1영점 검출 장치를 전반적으로 제어하며, 특히 제1LED 모듈 구동부(104)를 통해 제1LED 모듈(106)의 구동을 제어하고, 제1신호처리부(114)로부터 제공되는 영점검출정보를 제공받아 대상물에 대한 변위정보를 획득한다.
상기 제1LED 모듈 구동부(104)는 상기 제1제어장치(102)의 제어에 따라 제1LED 모듈(106)을 구동한다.
상기 제1LED 모듈(106)은 인코히어런트 광을 조사한다.
상기 제1핀 홀 플레이트(108)는 상기 제1LED 모듈(106)의 광 조사 영역에 설치되어, 중앙에 형성된 핀 홀(PH)을 통해 상기 제1LED 모듈(106)이 조사하는 광을 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202) 측으로 전달한다.
상기 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)는 상기 제1핀 홀 플레이트(108)를 통해 제공되는 광을 반사시킴과 아울러 촛점 거리에 위치하는 제1바이셀 포토디텍터(110)에 구비되는 두개의 포토디텍팅 셀(400,402)로 집속(focusing)시켜 전달한다. 상기 제1바이셀 포토디텍터(110)는 두 개의 포토디텍팅 셀(400,402)로 구성되며, 상기 두 개의 포토디텍팅 셀(400,402) 각각은 상기 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)가 집속시켜 전달하는 광을 수광하고, 그에 따른 광 검출신호를 생성하여 제1감산기(112)에 제공한다. 여기서, 상기 두 개의 포토디텍팅 셀(400,402)이 출력하는 광 검출신호는 도 5의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)와 제1영점검출부(100) 사이의 상대적인 이동에 따라 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(200)의 전체 영역에 광이 전달됨과 동시에 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(200)의 촛점 거리에 두 개의 포토 디텍팅 셀(400,402)이 위치하는 경우에 최대값을 가지는 파형을 가진다.
상기 제1감산기(112)는 상기 두 개의 포토디텍팅 셀이 출력하는 광 검출신호들을 서로 감산하고, 그에 따른 영점 검출 신호를 출력한다. 여기서, 상기 제1감산기(112)가 출력하는 영점 검출 신호는 도 4의 (c)에 도시한 바와 같은 파형을 가진다.
상기 제1감산기(112)가 출력하는 영점 검출 신호는 도 6에 도시한 바와 같으며 두 개의 포토디텍팅 셀(400,402)이 출력하는 검출신호들의 출력값에 따라 상이한 파형을 가진다.
상기 제1신호처리부(114)는 상기 제1감산기(112)가 출력하는 영점 검출 신호를 제공받으며, 그 감산기의 출력 파형이 미리 정해둔 값(threshold value)을 지나 [0] 레벨을 지날 때에 영점으로 결정함과 아울러 디지털화된 영점 검출 정보를 생성하여 상기 제1제어장치(102)로 제공한다.
특히, 본 발명의 제1신호처리부(114)는 상기 제1감산기(112)의 출력값의 최대값보다 작게 결정한다.
<제1핀 홀 플레이트와 제1-1차원 프레넬 존 플레이트와 제1바이셀 포토디텍터의 구조>
도 2는 제1핀 홀 플레이트(108)와 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)와 제1바이셀 포토디텍터(110)의 구조를 도시한 것이다.
상기 제1핀 홀 플레이트(108)는 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 제1LED 모듈(106)로부터의 광을 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)로 전달하기 위한 핀 홀이 중앙에 형성된 불투과형 플레이트이다.
상기 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)는 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이 1차원 프레넬 렌즈 효과를 야기하기 위한 반사 패턴 또는 비반사 패턴이 형성된다. 여기서, 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)의 패턴 배열은 수학식 1 및 도 4에 따른다.
Figure 112012023930565-pat00001
상기 수학식 1에서 Rm은 투과 또는 반사 패턴의 시작 라인을 나타내며, 상기 Rm은 도 4에 도시한 바와 같이 중심을 기준으로 대칭된다. 상기 m은 라인 번호를 나타내며, 상기 m이 홀수인 경우에는 비반사 패턴의 시작 위치를 지시하고 짝수인 경우에는 반사 패턴의 시작 위치를 지시할 수 있으며, 그 반대로 m이 홀수인 경우에는 반사 패턴의 시작 위치를 지시하고 홀수인 경우에는 비반사 패턴의 시작 위치로 정해질 수 있다. 또한 λ는 광의 파장, f는 촛점 거리이다.
<제1핀 홀 플레이트와 제1-1차원 프레넬 존 플레이트와 제1바이셀 포토디텍터의 광 전달 과정>
제1핀 홀 플레이트(108)와 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)와 제1바이셀 포토디텍터(110)의 광 전달 과정을 도시한 도 3을 참조하면, 상기 제1핀 홀 플레이트(108)에 의해 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)로 전달된 광은 집속되어 제1바이셀 포토디텍터(110)로 전달된다. 이에 인코히어런트 광을 조사하는 LED를 채용하는 경우에도 광을 제1바이셀 포토디텍터(110)로 집속시켜 전달함으로써, 영점 위치에만 광량이 급격하게 증대되어 영점 검출의 정확도를 높일 수 있는 효과를 야기한다.
좀 더 설명하면, 제1핀홀 플레이트(108)와 상기 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202) 사이의 거리를 Z1이라 하고, 제1바이셀 포토디텍터(110)과 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)의 거리를 Z2라 하고, 제1핀홀 플레이트(108)의 핀홀의 크기를 D1이라 하고 제1바이셀 포토디텍터(110)의 수광면의 크기를 D2라 할 때에 Z1,Z2,D1,D2 사이의 관계식은 수학식 2와 같이 정의된다.
Figure 112012023930565-pat00002
즉, 원하는 D2의 크기에 따라 Z1과 Z2를 조정할 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 Z1과 Z2를 동일하게 결정하였다.
특히 상기 Z1과 Z2는 수학식 3과 같은 관계를 가지도록 2f로 정한다.
Figure 112012023930565-pat00003
이와 같이 본 발명의 바람직한 제1영점검출장치는 제1핀 홀 플레이트(108)와 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(202)를 이용하여 인코히어런트 광을 집속시켜 제1바이셀 포토디텍터(110)로 제공하고, 상기 제1바이셀 포토디텍터(110)의 두 출력을 감산한 신호를 이용하여 영점을 검출함으로써,, 영점 검출의 정확도를 향상시킨다.
<제2실시예-투과형 영점 검출 장치>
본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 투과형 영점 검출 장치의 구성 및 동작을 도 8 및 도 9를 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 제2실시예에 따르는 제2영점 검출 장치는 크게 제2영점검출부(500)와 상기 제2영점검출부(500)와 상대적인 이동을 하는 제2-1차원 프레넬 존 플레이트(204)로 구성된다.
좀 더 설명하면, 상기 제2영점검출부(500)와 상기 제2-1차원 프레넬 존 플레이트(204) 중 어느 하나는 대상물에 장착되고 다른 하나는 상기 대상물에 대향되는 기구에 설치된 상태에서, 대상물 또는 기구 중 어느 하나만 원 이동 또는 직선 이동함으로써, 상기 제2영점검출부(500)와 상기 제2-1차원 프레넬 존 플레이트(204)가 상대적인 이동을 한다.
상기 제2영점검출부(500)는 제2제어장치(502)와 제2LED 모듈 구동부(504)와 제2LED 모듈(506)과 제2핀 홀 플레이트(508)와 제2바이셀 포토디텍터(510)와 제2감산기(512)와 제2신호처리부(514)로 구성된다.
상기 제2제어장치(502)는 상기 제2영점 검출 장치를 구성하는 각 모듈을 전반적으로 제어하며, 특히 제2LED 모듈 구동부(504)를 통해 제2LED 모듈(506)의 구동을 제어하고, 제2신호처리부(514)로부터 디지탈화된 영점검출정보를 제공받아 대상물에 대한 정확한 변위정보를 획득한다.
상기 제2LED 모듈 구동부(504)는 상기 제2제어장치(502)의 제어에 따라 제2LED 모듈(506)을 구동한다.
상기 제2LED 모듈(506)은 인코히어런트한 광을 조사한다.
상기 제2핀 홀 플레이트(508)는 상기 제2LED 모듈(506)의 광 조사 영역에 설치되어, 중앙에 형성된 핀홀(PH)을 통해 상기 제2LED 모듈(506)이 조사하는 광을 제2-1차원 프레넬 존 플레이트(204) 측으로 조사한다.
상기 제2-1차원 프레넬 존 플레이트(204)는 상기 제2핀 홀 플레이트(508)를 통해 제공되는 광을 투과시켜 촛점 거리에 위치하는 제2바이셀 포토디텍터(510)에 구비되는 두개의 포토디텍팅 셀(600,602)로 집속시켜 전달한다.
상기 제2바이셀 포토디텍터(510)는 두 개의 포토디텍팅 셀(600,602)로 구성되며, 상기 두 개의 포토디텍팅 셀(600,602) 각각은 상기 제2-1차원 프레넬 존 플레이트(204)가 집속시켜 전달하는 광에 따른 검출신호를 생성하여 제2감산기(512)에 제공한다. 여기서, 상기 두 개의 포토디텍팅 셀(600,602)이 출력하는 검출신호는 제2-1차원 프레넬 존 플레이트(204)의 촛점 거리에 두 개의 포토 디텍팅 셀(600,602)이 위치하는 경우에 최대값을 가지는 파형을 가진다.
상기 제2감산기(512)는 상기 두 개의 포토디텍팅 셀(600,602)이 출력하는 검출신호들을 감산하고, 그에 따른 원점 검출 신호를 출력한다. 여기서, 상기 제2감산기(512)가 출력하는 원점 검출 신호는 도 4의 (c)에 도시한 바와 같은 파형을 가진다.
상기 제2신호처리부(514)는 상기 제2감산기(512)가 출력하는 원점 검출 신호를 제공받으며, 그 감산기의 출력 파형이 미리 정해둔 값(threshold value)을 지나 [0] 레벨을 지날 때에 영점 검출 상태를 나타내는 디지털화된 영점검출정보를 생성하여 제2제어장치(502)에 제공한다. 여기서, 상기 미리 정해둔 각도는 두 개의 포토디텍팅 셀(600,602)이 출력하는 검출신호들의 출력값이 피크값을 가지는 지점으로부터 일정 구간 앞선 지점에서의 각도로 결정한다.
이와 같이 본 발명의 바람직한 제2영점 검출 장치는 제2핀 홀 플레이트(508)와 제2-1차원 프레넬 존 플레이트(204)를 이용하여 인코히어런트 광을 집속시켜 제2바이셀 포토디텍터(510)로 제공하고, 상기 제2바이셀 포토디텍터(510)의 두 출력을 감산한 신호를 이용하여 영점을 검출함으로써,, 영점 검출의 정확도를 향상시킨다.
<제3실시예-콜리메이트 렌즈를 구비한 반사형 영점 검출 장치>
본 발명의 바람직한 제3실시예에 따르는 반사형 영점 검출 장치의 구성 및 동작을 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다.
본 발명의 바람직한 제3실시예에 따르는 상기 제3영점 검출 장치는 크게 제3영점검출부(700)와, 상기 제3영점검출부(700)와 상대적인 이동을 하는 제3-1차원 프레넬 존 플레이트(206)로 구성된다.
좀 더 설명하면, 상기 제3영점검출부(700)와 상기 제3-1차원 프레넬 존 플레이트(206) 중 어느 하나는 대상물에 장착되고 다른 하나는 상기 대상물에 대향되는 기구에 설치된 상태에서, 대상물 또는 기구 중 어느 하나만 원 이동 또는 직선 이동함으로써, 상기 제3영점검출부(700)와 상기 제3-1차원 프레넬 존 플레이트(206)가 상대적인 이동을 한다.
상기 제3영점검출부(700)는 제3제어장치(702)와 제3LED 모듈 구동부(704)와 제3LED 모듈(706)과 제1콜리메이트 렌즈(716)와 제3핀 홀 플레이트(708)와 제3바이셀 포토디텍터(710)와 제3감산기(712)와 제3신호처리부(714)로 구성된다.
상기 제3제어장치(702)는 상기 제3영점 검출 장치를 구성하는 각 모듈을 전반적으로 제어하며, 특히 제3LED 모듈 구동부(704)를 통해 제3LED 모듈(706)의 구동을 제어하고, 제3신호처리부(714)로부터 디지탈화된 영점검출정보를 제공받아 대상물에 대한 정확한 변위정보를 획득한다.
상기 제3LED 모듈 구동부(704)는 상기 제3제어장치(702)의 제어에 따라 제3LED 모듈(706)을 구동한다.
상기 제3LED 모듈(706)은 인코히어런트한 광을 조사한다.
상기 제3LED 모듈(706)의 광 조사면에는 제1콜리메이트 렌즈(716)가 위치하며, 상기 제1콜리메이트 렌즈(716)는 상기 인코히어런트한 광을 시준(Collimated)하여 코히어런트한 광으로 변환한다.
상기 제3핀 홀 플레이트(708)는 상기 시준된 광의 조사 영역에 설치되어, 중앙에 형성된 핀홀(PH)을 통해 상기 시준된 광을 제3-1차원 프레넬 존 플레이트(206) 측으로 전달한다.
상기 제3-1차원 프레넬 존 플레이트(206)는 상기 제3핀 홀 플레이트(708)를 통해 제공되는 광을 반사시켜 촛점 거리에 위치하는 제3바이셀 포토디텍터(710)에 구비되는 두개의 포토디텍팅 셀(720,722)로 집속시켜 전달한다.
상기 제3바이셀 포토디텍터(710)는 두 개의 포토디텍팅 셀(720,722)로 구성되며, 상기 두 개의 포토디텍팅 셀(720,722) 각각은 상기 제3-1차원 프레넬 존 플레이트(206)가 집속시켜 전달하는 광에 따른 검출신호를 생성하여 제3감산기(712)에 제공한다. 여기서, 상기 두 개의 포토디텍팅 셀(720,722)이 출력하는 검출신호는 제3-1차원 프레넬 존 플레이트(206)의 촛점 거리에 두 개의 포토 디텍팅 셀(720,722)이 위치하는 경우에 최대값을 가지는 파형을 가진다.
상기 제3감산기(712)는 상기 두 개의 포토디텍팅 셀(720,722)이 출력하는 검출신호들을 감산하고, 그에 따른 원점 검출 신호를 출력한다. 여기서, 상기 제3감산기(712)가 출력하는 원점 검출 신호는 도 4의 (c)에 도시한 바와 같은 파형을 가진다.
상기 제3신호처리부(714)는 상기 제3감산기(712)가 출력하는 원점 검출 신호를 제공받으며, 그 감산기의 출력 파형이 미리 정해둔 값(threshold value)을 지나 [0] 레벨을 지날 때에 영점 검출 상태를 나타내는 디지털화된 영점검출정보를 생성하여 제3제어장치(702)에 제공한다. 여기서, 상기 미리 정해둔 각도는 두 개의 포토디텍팅 셀(720,722)이 출력하는 검출신호들의 출력값이 피크값을 가지는 지점으로부터 일정 구간 앞선 지점에서의 각도로 결정한다.
이와 같이 본 발명의 바람직한 제3영점검출장치는 인코히어런트한 광을 시준 처리한 후에, 제3핀 홀 플레이트(708)와 제3-1차원 프레넬 존 플레이트(206)를 통해 시준된 광을 집속시켜 제3바이셀 포토디텍터(710)로 제공하고, 상기 제3바이셀 포토디텍터(710)의 두 출력을 감산한 신호를 이용하여 영점을 검출함으로써, 영점 검출의 정확도를 향상시킨다.
<제4실시예-콜리메이트 렌즈를 구비한 투과형 영점 검출 장치>
본 발명의 바람직한 제4실시예에 따르는 투과형 영점 검출 장치의 구성 및 동작을 도 12 및 도 13을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 제4실시예에 따르는 상기 제4영점 검출 장치는 크게 제4영점검출부(800)와, 상기 제4영점검출부(800)와 상대적인 이동을 하는 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(208)로 구성된다. 좀 더 설명하면, 상기 제4영점검출부(800)와 상기 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(208) 중 어느 하나는 대상물에 장착되고 다른 하나는 상기 대상물에 대향되는 기구에 설치된 상태에서, 대상물 또는 기구 중 어느 하나만 원 이동 또는 직선 이동함으로써, 상기 제4영점검출부(800)와 상기 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(208)가 상대적인 이동을 한다.
상기 제4영점검출부(800)는 제4제어장치(802)와 제4LED 모듈 구동부(804)와 제4LED 모듈(806)과 제2콜리메이트 렌즈(816)와 제4핀 홀 플레이트(808)와 제4바이셀 포토디텍터(810)와 제4감산기(812)와 제4신호처리부(814)로 구성된다.
상기 제4제어장치(802)는 상기 제4영점 검출 장치를 구성하는 각 모듈을 전반적으로 제어하며, 특히 제4LED 모듈 구동부(804)를 통해 제4LED 모듈(806)의 구동을 제어하고, 제4신호처리부(814)로부터 디지탈화된 영점검출정보를 제공받아 대상물에 대한 정확한 변위정보를 획득한다.
상기 제4LED 모듈 구동부(804)는 상기 제4제어장치(802)의 제어에 따라 제4LED 모듈(806)을 구동한다.
상기 제4LED 모듈(806)은 인코히어런트한 광을 조사한다.
상기 제4LED 모듈(806)의 광 조사면에는 제2콜리메이트 렌즈(816)가 위치하며, 상기 제2콜리메이트 렌즈(816)는 상기 인코히어런트한 광을 시준하여 코히어런트한 광으로 변환한다.
상기 제4핀 홀 플레이트(808)는 상기 시준된 광의 조사 영역에 설치되어, 중앙에 형성된 핀홀(PH)을 통해 상기 시준된 광을 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(208) 측으로 전달한다.
상기 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(208)는 상기 제4핀 홀 플레이트(808)를 통해 제공되는 광을 투과시켜 촛점 거리에 위치하는 제4바이셀 포토디텍터(810)에 구비되는 두개의 포토디텍팅 셀(900,902)로 집속시켜 전달한다.
상기 제4바이셀 포토디텍터(810)는 두 개의 포토디텍팅 셀(900,902)로 구성되며, 상기 두 개의 포토디텍팅 셀(900,902) 각각은 상기 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(208)가 집속시켜 전달하는 광에 따른 검출신호를 생성하여 제4감산기(812)에 제공한다. 여기서, 상기 두 개의 포토디텍팅 셀(900,902)이 출력하는 검출신호는 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(208)의 촛점 거리에 두 개의 포토 디텍팅 셀(900,902)이 위치하는 경우에 최대값을 가지는 파형을 가진다.
상기 제4감산기(812)는 상기 두 개의 포토디텍팅 셀(900,902)이 출력하는 검출신호들을 감산하고, 그에 따른 원점 검출 신호를 출력한다. 여기서, 상기 제4감산기(812)가 출력하는 원점 검출 신호는 도 4의 (c)에 도시한 바와 같은 파형을 가진다.
상기 제4신호처리부(814)는 상기 제4감산기(812)가 출력하는 원점 검출 신호를 제공받으며, 그 감산기의 출력 파형이 미리 정해둔 값(threshold value)을 지나 [0] 레벨을 지날 때에 영점 검출 상태를 나타내는 디지털화된 영점검출정보를 생성하여 제4제어장치(802)에 제공한다. 여기서, 상기 미리 정해둔 각도는 두 개의 포토디텍팅 셀(900,902)이 출력하는 검출신호들의 출력값이 피크값을 가지는 지점으로부터 일정 구간 앞선 지점에서의 각도로 결정한다.
이와 같이 본 발명의 바람직한 제4실시예는 인코히어런트한 광을 시준 처리한 후에, 제4핀 홀 플레이트(808)와 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(208)를 통해 시준된 광을 집속시켜 제4바이셀 포토디텍터(810)로 제공하고, 상기 제4바이셀 포토디텍터(810)의 두 출력을 감산한 신호를 이용하여 영점을 검출함으로써, 영점 검출의 정확도를 향상시킨다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예에서는 인코히어런트 광을 조사하는 LED를 광원으로 채용하는 경우만 설명하였으나, 원점 검출 정확도를 높이기 위해 코히어런트 광을 조사하는 레이저 등과 같은 광원을 채용하는 경우에도 적용될 수 있음은 본 발명에 의해 자명하다.
또한 상기한 본 발명의 바람직한 실시예에서는 바이셀 포토디텍터를 채용하는 것만을 예시하였으나, 구조의 단순화를 목적으로 하여 단일 포토디텍터를 채용하는 것 역시 본 발명에 의해 자명하다.
100 : 제1영점검출부
102 : 제1제어장치
104 : 제1LED 모듈 구동부
106 : 제1LED 모듈
108 : 제1핀 홀 플레이트
110 : 제1바이셀 포토디텍터
112 : 제1감산기
114 : 제1신호처리부
202 : 제1-1차원 프레넬 존 플레이트

Claims (8)

  1. 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치에 있어서,
    입사된 광을 집속하여 전달하는 프레넬 존 플레이트; 및
    상기 프레넬 존 플레이트와 상대 이동하는 원점 검출부;로 구성되며,
    상기 원점 검출부는,
    상기 프레넬 존 플레이트에 대향되게 설치되어 광을 조사하는 광원,
    상기 프레넬 존 플레이트와 상기 광원 사이에 위치하며 핀 홀이 형성된 핀 홀 플레이트,
    상기 프레넬 존 플레이트가 집속하여 전달하는 광을 수광하여 출력하는 소자로서, 두 개의 포토디텍팅 셀이 구비된 바이셀 포토디텍터로 구성된 광 검출소자,
    상기 두 개의 포토디텍팅 셀 각각의 출력신호를 서로 감산하여 출력하는 감산기; 및
    상기 감산기의 출력을 입력받아, 그 감산기의 출력 파형이 미리 정해둔 값(threshold value)을 지나 [0] 레벨을 지날 때에 영점 검출 정보를 생성하는 신호처리부; 를 구비하고,
    상기 핀 홀 플레이트의 핀 홀을 통해 상기 광원의 광은 상기 프레넬 존 플레이트로 전달되고, 상기 프레넬 존 플레이트를 통하여 집속된 광은 상기 광 검출소자로 전달됨을 특징으로 하는 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프레넬 존 플레이트는,
    상기 핀 홀을 통해 전달된 광을 투과 및 집속시켜 상기 광 검출소자로 전달함을 특징으로 하는 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프레넬 존 플레이트는,
    상기 핀 홀을 통해 전달된 광을 반사 및 집속시켜 상기 광 검출소자로 전달함을 특징으로 하는 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프레넬 존 플레이트는 1차원 프레넬 존 플레이트로서 상기 바이셀 포토 디텍터의 두개의 포토디텍팅 셀에 광을 집속시켜 전달함을 특징으로 하는 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 인코히어런트 광을 조사함을 특징으로 하는 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 인코히어런트한 광을 조사하며,
    상기 광원의 인코히어런트한 광을 시준하여 상기 핀 홀 플레이트로 전달하는 콜리메이트 렌즈;를 더 구비함을 특징으로 하는 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 LED 모듈임을 특징으로 하는 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학 인코더의 영점 검출 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR920003674B1 (ko) * 1987-04-02 1992-05-06 마쯔시다덴기산교 가부시기가이샤 위치검출방법 및 그 장치

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